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研究背景高强度聚焦超声换能器（High Intensity Focused Ultrasound,HIFU）是高强度聚焦超声肿瘤治疗系统的核心部件,传统的换能器存在带宽窄、电声转换效率低、能量输出稳定性差的问题,而换能器的性能优异直接决定了HIFU的治疗效果。因此对换能器的性能优化研究显得十分重要。换能器主要由压电振子、匹配层、背衬层、电极导线、外壳组成。作为超声波的发声元件,1-3型压电复合材料的综合性能直接决定着换能器的各个性能指标,性能优异的1-3型压电复合材料使换能器具有稳定的工作输出性和较高的电声转换效率。在压电材料确定的情况下,设计良好的匹配层不仅能够使换能器和工作介质之间实现声学匹配,使换能器声波能量在人体组织和换能器之间的传输效率得到明显提高,明显拓宽换能器的带宽;而且也能对换能器表面和压电陶瓷进行保护,避免其在工作环境中受到污染或破坏。本课题从1-3型压电复合材料和匹配层二个方面进行研究,以此寻找一种基于1-3型压电复合材料的聚焦超声换能器性能优化的方法。目的对1-3型压电复合材料进行改性研究,使换能器具有稳定输出和高电声转换效率;同时通过填充氧化铝对环氧树脂匹配层进行改性,调整其阻抗值,通过阻抗匹配和透声系数匹配,提高换能器的性能,如电声转换效率和带宽。通过理论模型仿真和实验研究氧化铝对匹配层声学特性的影响规律,研究分析匹配层不同声阻抗值对1-3型压电复合换能器性能的影响。方法1.将聚醚砜（PES）和空心玻璃微珠（HGB）作为填料添加到环氧树脂（EP）中,利用PES改善材料的力学性能,增加环氧相与陶瓷相的结合力,利用HGB改善环氧聚合相热膨胀系数,使环氧相与陶瓷相更匹配。研究填料最佳添加范围,填料的填充量对环氧聚合相声学、力学、热学性能的影响。2.为了对1-3型压电复合材料进行改性,基于上述所得的填料最佳配比,采用切割-填充的方法制备1-3复合材料,利用阻抗分析仪对改性1-3复合材料进行阻抗曲线测量,分析其压电性能和性能温度稳定性。3.通过理论模型仿真和实验,研究不同体积分数（0%20%）氧化铝对匹配层声学特性的影响规律。4.采用改性后的1-3型压电复合材料作为发声元件,研制了不同声阻抗值的匹配层换能器,利用阻抗分析仪测量其电导曲线,搭建平台测量其在一定频率范围内的电声转换效率,并对测试结果分析对比。结果1.PES和HGB的复合添加能较好的改善环氧聚合相声学、力学和热学性能。PES和HGB的最佳配比为10wt%PES+10wt%HGB,此时环氧相的声速、声衰减分别由2506m/s、1.53dB/cm/MHz增加至2567m/s、1.62dB/cm/MHz,优化了环氧树脂的声学特性;环氧相的剪切强度提高33%,较好的改善材料力学性能;热膨胀系数从8.8×10-5/K降低到5.8×10-5/K,降低53.2%,有效降低环氧相的热膨胀系数,可改善环氧相与压电相的热匹配,提高材料的热稳定性。2.以10wt%PES+10wt%HGB填料配比对1-3型压电复合材料进行改性,改性后的1-3型压电复合材料机电耦合系数kt为0.65,机械品质因数Qm为12.2。研究结果表明,在压电相和环氧聚合相体积比不变的条件下,填料改性后的1-3型压电复合材料的压电性能基本不变;1-3复合材料的fs和kt在15℃50℃温度范围内变化率≤1%,Qm变化率≤10%,改性后的1-3型压电复合材料压电性能的温度稳定性得到较大的提高。3.制备了添加不同体积分数（0%20%）氧化铝的环氧树脂匹配层材料,采用理论模型和实验验证的方式对匹配层的声学特性进行研究,发现匹配层的密度、声速、声阻抗和声衰减系数等特性参数随氧化铝体积分数的增加而增加,分别由2453m/s、2.8Mrayl、2.40dB/cm/MHz增加至2647m/s、4.3Mrayl、3.37dB/cm/MHz,表明可以通过改变氧化铝添加量改变匹配层的声学特性,得到适合聚焦超声换能器声匹配的最佳体积比例。4.以10wt%PES+10wt%HGB填料改性后的1-3型压电复合材料作为发声元件,制作的无匹配层换能器,测试结果表明其电声转换效率有明显的提高,在谐振频率范围内其转换效率由59%增加至83%,同时换能器有较好的电声性能输出稳定性;对换能器的匹配层研究发现,随着匹配层声阻抗值不断增加,换能器的-3dB带宽明显变宽,电声转换效率有所提高,当声阻抗值为3.5Mrayl时,-3dB带宽为295kHz,最高电声转换效率达到90%。结论本课题从1-3型压电复合材料环氧聚合相改性和声匹配层材料阻抗值调整二个方面进行研究,通过研究得到了优化1-3型压电复合材料聚焦超声换能器性能的实验方法。